FR3012597B1 - Procede de localisation en interieur et exterieur et dispositif portatif mettant en œuvre un tel procede - Google Patents

Abstract

Le dispositif de localisation, apte à équiper un corps mobile, comporte au moins une centrale inertielle (1) comprenant un gyromètre 3D et un accéléromètre 3D, une unité de calcul (2) recevant les résultats de mesures du gyromètre et de l'accéléromètre selon une fréquence d'échantillonnage, et des moyens de restitution (4, 5) de localisation du corps mobile, l'unité de calcul effectuant : - dans une étape préliminaire (12) où ledit corps mobile parcourt une trajectoire connue, le calcul d'un coefficient de proportionnalité entre la distance réellement parcourue et la distance brute obtenue par l'intégration de la dérivée temporelle de l'accélération selon ladite trajectoire ; - dans une étape suivante (13) de déplacement libre, la localisation de ledit corps mobile par la méthode de navigation à l'estimée, la localisation étant effectuée en utilisant comme distance parcourue la distance brute obtenue par l'intégration de la dérivée temporelle de l'accélération corrigée par le coefficient de proportionnalité. On calcule par ailleurs un modèle représentant la dérive due au biais de mesures de vitesses angulaires délivrées par le gyromètre par une régression entre lesdites mesures et l'orientation de ladite trajectoire connue (A, B), les mesures prises en compte dans l'étape (13) de déplacement libre étant lesdites mesures corrigées par soustraction dudit modèle.

Description

PROCEDE DE LOCALISATION EN INTERIEUR ET EXTERIEUR ETDISPOSITIF PORTATIF METTANT EN ŒUVRE UN TEL PROCEDE

La présente invention concerne un procédé de localisation en intérieur etextérieur, et un dispositif portatif mettant en œuvre un tel procédé. Elles’applique pour la localisation de piétons dans des environnements intérieurset extérieurs. L’invention s’applique particulièrement pour des primo-intervenants tels que par exemple des pompiers ou des policiers, destravailleurs isolés ou encore des personnes atteintes de déficiences visuelleou cognitive.

Parmi toutes les familles de systèmes de localisation, on distingue d’abordceux dépendant d’une infrastructure ou non. Ainsi, les systèmes radio,comme GPS et Wifi notamment, nécessitent des émetteurs alors que lesbaromètres, magnétomètres et capteurs inertiels fonctionnent de manièreautonome. Parmi ceux qui ne nécessitent pas d’infrastructure, il y a ceux quidépendent de l’environnement, tels que les baromètres par exemple, et ceuxqui n’en dépendent pas, tels que les gyromètres ne fournissant qu’unemesure mécanique. On peut ensuite affiner la classification de ces systèmesde localisation par leur aptitude à l’intégration et leur coût. Par exemple, lescentrales inertielles tactiques intégrées dans les avions ou les missiles sontbasées sur des gyromètres optiques coûteux, mais fiables, alors que cellesembarquées dans les terminaux mobiles sont bas coût mais peu fiables.

Un problème technique à résoudre est de localiser un piéton dans unenvironnement contraint, par exemple dans l’étage d’un bâtiment ou dans unmilieu urbain dense, avec des dispositifs bas coût fournissant les seulesmesures d’accélération et de vitesse angulaire, ainsi que la position initialede l’utilisateur et une seconde position connue soit par cet utilisateur, soit parun système externe. Par ailleurs, il faut pouvoir localiser l’utilisateur enmobilité avec une bonne précision, de l’ordre de quelques mètres parexemple. Pour la localisation intérieure, une difficulté survient lorsqu’il estnécessaire d’assurer cette localisation en s’affranchissant d’infrastructuresdéployées dans l’environnement telles que des balises ou des antennes parexemple. Pour arriver à positionner l’utilisateur, le dispositif de localisationdoit être équipé de capteurs de mesures. Il estime la position relativement àun point de départ et délivre l’information de position à l’utilisateur lui-même ou à d’autres entités, telles que des postes de visualisation portés ou distantspar exemple. Etant donné que l’utilisateur est en mobilité, le dispositif doitêtre peu encombrant. Une solution technique retenue doit donc minimiserl’encombrement lié aux capteurs.

On connaît plusieurs solutions de localisation, notamment intérieure, sansinfrastructure.

Les solutions à podomètre reposent sur la mesure de la cadence de marchede l’utilisateur. A partir de la mesure du nombre de pas et de la longueur depas, une estimation de la distance parcourue est réalisée. Cependant, si lalongueur du pas de l’utilisateur change, passant par exemple d’une marcherapide à une marche lente, la solution peut conduire à une mauvaiseestimation de la distance parcourue et donc de la localisation de l’utilisateur.

Les solutions à odomètre sont largement utilisées. Le dispositif est alorsconstitué principalement d’une centrale inertielle placée au pied del’utilisateur. Les mesures d’accélération et de vitesse de rotation conjuguéesà des techniques à l’estimée permettent d’estimer la distance parcourue parl’utilisateur. Un problème lié à ces solutions est la nécessité de moyens decalcul importants pour contenir la dérive importante des centrales inertielles.L’emplacement du capteur sur le pied complique par ailleurs la mise enapplication.

Dans ces solutions, les capteurs sont localisés à la taille, au poignet ou aubras. L’estimation de la distance parcourue est réalisée à partir de la mesurede l’accélération. Cependant, ces solutions présentent souvent desperformances réduites comparées à la solution « foot-mounted », notammenten raison de la localisation de ces capteurs sur le corps où la dynamique estmoins opportune. Elles ne sont pas utilisées seules mais plutôt hybridées àd’autres techniques pour apporter une information d’orientation par exemple.Des moyens de calculs importants sont par ailleurs nécessaires. D’autres solutions utilisent la mesure de la variation du champ magnétiqueterrestre local pour, par exemple, estimer la vitesse d’avance de l’utilisateur.Une telle mesure peut d’une part nécessiter d’équiper l’utilisateur d’uneboussole, mais le dispositif est alors sensible à la présence d’objetsperturbant localement le champ magnétique terrestre dans l’environnementde l’utilisateur, ces objets pouvant être par exemple du mobilier, descharpentes métalliques ou le terminal électronique lui-même. D’autre part, la mesure peut nécessiter d’équiper l’utilisateur d’une constallation de capteursmagnétiques afin de mesurer par exemple le gradient spatial de ce champmagnétique. Mais un inconvénient de cette solution est la nécessitéd’agencer la constallation de capteurs de manière précise et de la calibrersoigneusement.

Enfin, il est également connu d’utiliser des solutions visuelles. Une caméraéquipe l’utilisateur et observe le champ face à ce dernier. Cette solutioncombine communément deux étapes, celle de l’estimation de l’avance dumobile à partir de points caractéristiques de l’environnement et lareconnaissance de points caractéristiques. La première étape permetd’estimer la distance parcourue et la deuxième étape permet de réaliser unrecalage de la position de l’utilisateur par rapport à un référentiel absolu. Uninconvénient de cette solution est qu’elle impose d’orienter la caméra dans lechamp de déplacement du mobile. Par ailleurs, en raison du principe mêmede cette technique, la caméra est sensible aux paramètres d’éclairage,d’orientation et aux vibrations. De plus, des moyens de calculs importantssont nécessaires pour assurer la localisation du mobile.

Toutes ces solutions ne répondent pas aux objectifs de réalisation d’undispositif portatif fiable et peu encombrant, indépendant de l’environnementou d’une quelconque infrastructure, permettant en particulier :

Une localisation avec de très faibles dérives, par exempleinférieures à 5% de la distance totale parcourue, en environnementfermé ou non, sans pré-équipement des lieux ;

Un équipement aux dimensions réduites et facilementembarquable, apte à être fixé à la taille d’un piéton par exemple ;

Un calcul économique en ressources mais apportant uneestimation robuste de la position de l’utilisateur. L’invention a notamment pour but d’atteindre ces objectifs. A cet effet,l’invention a pour objet un procédé tel que décrit par les revendications. L’invention a également pour objet un dispositif mettant en œuvre un telprocédé. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’aide dela description qui suit, faite en regard de dessins annexés qui représentent :

La figure 1, les composants possibles d’un dispositif selonl’invention et les étapes qu’ils mettent en œuvre ;

La figure 2, le résultat d’une correction de mesures angulaires parrégression affine en temps réel ;

La figure 3, un schéma fonctionnel d’un exemple de dispositifselon l’invention ;

La figure 4, un exemple d’algorithme mettant en œuvre le procédéselon l’invention.

La figure 1 présente les composants possibles d’un dispositif selonl’invention et les étapes qu’ils mettent en œuvre. A titre d’exemple l’inventionest décrite pour la localisation d’un piéton, mais elle peut égalements’appliquer à la localisation des corps mobiles en mouvement.

Le dispositif comprend au moins : - une centrale inertielle 1 capable de fournir les accélérations de son centred’inertie par rapport au référentiel terrestre, exprimées dans son repère local3D, ainsi que les vitesses angulaires exprimées dans ce même repère local ; - une unité de calcul 2 apte à recevoir des données numériques par exemplesous forme matricielle avec des outils d’algèbre linéaire, en temps réel, et defournir le plus rapidement possible le résultat d’un calcul ; - une unité de traitement numérique 3 capable de fournir les données issuesde la centrale inertielle 1 à l’unité de calcul 2 et d’en récupérer les résultatspour les écrire par exemple dans un fichier ou sur un port de communication.Un terminal mobile 4 complète par exemple l’ensemble. Ce terminalcomporte une interface d’entrée 5 apte à fournir à l’unité de traitementnumérique des informations de localisation connues a priori, soit parl’utilisateur, soit par un système externe. Par exemple, un bouton sur leterminal mobile permet d’entrer une information dans le système. Lesmoyens d’affichage 6 du terminal permettent de restituer des informations delocalisation estimées. L’écran du terminal mobile permet par exempled’afficher soit un point sur une carte, soit des valeurs numériques.

Parmi les solutions de l’état de l’art, dont certaines ont été brièvementdécrites ci-dessus, on suggère d’une part de compter les pas en lesdétectant avec des accélérations et de multiplier par une longueur moyenned’un pas pour obtenir une distance parcourue, ou, d’autre part, d’intégrer lesaccélérations selon chaque dimension pour obtenir une distance parcourue.Dans ce dernier cas, à cause des erreurs de mesures, la valeur estiméedérive avec le temps. C’est un premier problème. Une solution égalementproposée dans l’état de l’art consiste alors à ne pas cumuler les erreurs, enparticulier lors de la pose du pied au sol quand la centrale est immobile.Cette correction oblige cependant à placer la centrale inertielle au niveau dupied et crée alors une contrainte d’équipement, ce qui constitue un autreproblème. Enfin, certaines solutions sont basées sur des recalagesstochastiques comme les filtres particulaires, qui exigent souvent desressources en calcul importantes pour exploiter des modèles de marche oudes informations cartographiques par exemple, conduisant ainsi à untroisième problème. Un dispositif selon l’invention résout notamment ces troisproblèmes tout en utilisant une méthode de navigation à l’estimée encoreappelée « dead-reckoning ». Cette méthode consiste à estimer une position2D à partir de la distance parcourue et à la projeter selon l’orientation (lacet)du dispositif au cours du temps. Selon l’invention, avant d’engager cetteméthode de «dead-reckoning », une phase préliminaire de calibrations esteffectuée.

Les calibrations et le calcul de position sont effectués par l’unité de calcul 2.Cette unité met en œuvre trois étapes 11,12, 13 dont les deux premières 11,12 sont deux étapes préliminaires précédant la localisation par «dead-reckoning » proprement dite.

La première étape 11, statique, est réalisée alors que le porteur, donc ledispositif, est immobile. La deuxième étape 12, dynamique, est réalisée surune trajectoire connue. Enfin la troisième étape 13 effectue la localisation duporteur par « dead-reckoning » alors que celui-ci effectue un déplacementlibre. Les deux étapes préliminaires 11, 12 permettent d’obtenir descoefficients corrigeant les calculs de distance et d’attitude effectués pendantla troisième étape 13 de localisation en déplacement libre du porteur, lescalculs de distance et d’attitude étant utilisés par le procédé de « dead reckoning >>. Comme le montrera la suite de la description, ces coefficientscorrigent notamment les biais de mesure des capteurs de la centraleinertielle.

La centrale inertielle 1 est donc composée de deux capteurs, unaccéléromètre 3D et d’un gyromètre 3D qui délivrent respectivement lesaccélérations et les vitesses angulaires. Ces capteurs délivrent par exempledes mesures selon trois axes, l’accéléromètre délivrant les accélérations (Ax,Ay, Az) et le gyromètre délivrant les vitesses angulaires (Wx, Wy, Wz) durepère mécanique lié à la centrale inertielle. Les mesures provenant de cesdeux capteurs sont biaisées par une constante de mesure systématiquealéatoire et sont bruitées par des effets thermo-électroniques par exemple.L’invention traite l’influence des biais de mesure sans traiter les bruits quipeuvent s’ils sont gênants être traités par de nombreuses solutions connues.

Les sorties des gyromètres sont biaisées. Ces biais peuvent être estimésdans la première étape préliminaire 11 alors que le porteur est immobile encalculant des moyennes de vitesses angulaires mesurées, alors que lavitesse angulaire est idéalement un vecteur nul. La moyenne calculée donneune estimation du biais.

Cependant, cette première estimation du biais ne suffit pas dans la majoritédes cas pour estimer précisément la dérive du lacet estimée par intégrationdes vitesses angulaires. Selon l’invention, une calibration est alors effectuéesur une trajectoire connue, par exemple sur une portion rectiligne entre unpoint A et un point B lorsque le lacet est égal à l’orientation initiale, c’est-à-dire nul. Le biais constant intégré par rapport au temps, pendant le parcoursde cette portion A-B, crée une rampe linéaire dont le coefficient peut êtreestimé par exemple par régression affine pour être ensuite soustrait à lavaleur initiale estimée. Cette calibration est effectuée pendant la deuxièmeétape préliminaire 12.

La figure 2 illustre le résultat de la correction angulaire par régression affineen temps réel par deux courbes 21, 22 représentants la valeur angulaire dulacet par rapport au temps. Une première courbe 21 représente le lacet sans correction où l’on observe la dérive linéaire a.t par rapport au temps. Unedeuxième courbe 22 représente le lacet avec la correction du biais.

La figure 2 illustre un cas particulier où l’on corrige les mesures du gyromètrepar soustraction d’une rampe. Ce cas peut s’appliquer notamment lorsque latrajectoire connue A-B est rectiligne. Plus généralement selon l’invention, onestime la dérive due aux biais de mesures du gyromètre par un modèle, parexemple de régression linéaire en estimant les coefficients de la droitereprésentant la dérive linéaire comme dans le cas de la figure 2. Puis onsoustrait le modèle aux estimation d’orientation (lacet) résultant des mesuresbrutes de vitesses angulaires données par le gyromètre. Il est possibled’utiliser un autre type de régression pour calculer un modèle de dérive desmesures du gyromètre, notamment lorsque la trajectoire connue n'est parrectiligne. On peut ainsi utiliser une régression polynomiale d’ordre supérieurou toute autre régression, le but étant de comparer un modèle d’évolution dulacet, issu de la portion de trajectoire connue et impacté par le biais, parrapport aux mesures brutes.

Les mesures des accéléromètres sont également biaisées. En particulier parla valeur de la gravité qu’il est difficile d’estimer selon chacun des axes de lacentrale 1 puisque son orientation 3D est inconnue. Pour éliminer lesconstantes, c’est-à-dire le biais et la gravité, l’invention utilise une grandeurappelée par la suite « jerk >> qui est la dérivée temporelle de l’accélération,correspondant à la dérivée troisième de la distance par rapport au temps. Lejerk est défini par un vecteur à trois dimensions :

A étant le vecteur accélération.

On peut encore noter Jk le jerk à un instant k, selon la relation (1) suivante :

Ak et Ak.-i étant les vecteurs accélération aux instants k et k-1.

Par la suite, selon l’invention, pour éviter de cumuler les erreurs imputablesau gyromètre lors du changement de repères du vecteur accélération, lanorme du jerk est avantageusement est utilisée car elle est invariante parchangement de repère. Ce changement de repère correspond ici au passagedu repère de la centrale inertielle attachée au porteur vers le repère denavigation attaché à la Terre ou au bâtiment dans lequel se déplace le

porteur. Avantageusement, l’utilisation de la norme du jerk évite les erreursde projection sur le repère le nouveau repère.

La norme du jerk est ainsi intégrée par rapport au temps, par trois fois, pourobtenir la distance parcoure cumulée. Cependant la valeur intégréedirectement obtenue ne correspond pas à la distance cumulée mais à unevaleur proportionnelle. Afin d’obtenir le coefficient de proportionnalité entreles intégrations du jerk et la distance cumulée effective, il est nécessaire deconnaître la distance parcoure sur une portion de trajectoire connue, parexemple sur la portion A-B décrite ci-dessus. L’obtention de ce coefficient sefait dans la deuxième étape préliminaire 12 mentionnée précédemment.

La figure 3 présente un schéma fonctionnel d’un dispositif selon l’invention.Les données fournies par la centrale inertielle, c’est-à-dire les données del’accéléromètre (Ax, Ay, Az) et les données du gyromètre (Wx, Wy, Wz) sonttransmises vers l’unité de calcul 2. Ces données sont par exempletransmises à une fréquence de l’ordre de 100 Hz. L’unité de calcul doit êtrecapable de gérer des opérations en temps réel, au moins aussi vite que lafréquence d’arrivée des données inertielles, soit environ 100 Hz. L’unité de calcul met en œuvre les trois étapes 11, 12, 13 décritesprécédemment. Une information extérieure 21 signale à l’unité de calculquelle étape elle doit appliquer, en particulier l’unité de calcul doit savoir si leporteur est immobile pour la première étape 11, s’il parcourt la portionconnue pour la deuxième étape 12 ou s’il est en déplacement libre 13.

Cette information extérieure 21 peut être activée de différentes façons. Ellepeut être fournie par un dispositif d’entrée du type bouton ou un système delocalisation externe, par exemple du type lecteurs de tags RFID ou GPS, àcondition que ces informations de localisation soient disponibles.L’information peut donc être donnée par l’utilisateur, via un bouton ou touteinterface, avec par exemple les indications suivantes sur un écran « je suisimmobile » pour la première étape 11, « je marche entre A et B » pour ladeuxième étape 12 et « Localisez moi » pour la troisième étape 13 endéplacement libre. Ces situations peuvent également être détectées par desmoyens de localisation externe qui envoient l’information à l’unité de calcul.

Dans la première étape 11, alors que le porteur est immobile, le dispositifcalcule la moyenne des vitesses angulaires à partir des données inertielles (\Nx, Wy, Wz), pour accéder aux biais à la sortie des gyromètres. L’obtentiondes biais selon les trois axes se fait par comparaison de la moyenne avec lecas idéal dans lequel ces sorties sont nulles. En effet, dans un cas idéal sansbiais, et un porteur immobile, ces données inertielles sont nulles. L’utilisateurreste par exemple immobile pendant 10 secondes afin d’exploiter un nombresignificatif d’échantillons, 1000 si la fréquence d’échantillonnage est de100 Hz. A la fin de cette première étape 11, on accède à un vecteur moyenWmoy à trois dimensions contenant la moyenne des vitesses angulaires surchaque axe. Le calcul de ces valeurs moyennes est par exemple récursifpendant cette première étape. Cette estimation du biais est conservée enmémoire et exploitée dans les étapes suivantes pour le calcul d’orientation etles corrections angulaires.

Dans la deuxième étape 12 le parcours de trajectoire connue entre un pointA et un point B permet d’obtenir d’une part le coefficient de proportionnalité Γentre la distance cumulée obtenue par intégration du jerk et la distance réelleparcourue, et d’autre part les coefficients a et β de la droite représentant ladérive angulaire du lacet.

On obtient 121 le coefficient de proportionnalité Γ entre l’intégration de lanorme du jerk et la distance réelle, en raison du fait qu’à la fin de latrajectoire la distance entre les points A et B, est connue. Ce coefficient estnotamment donné par le rapport ABint / ABréeiie où ABint est l’intégration dujerk et ABréeiie est la distance réelle connue. Comme indiqué précédemment,l’intégration du jerk est une triple intégration par rapport au temps, étantdonné que le jerk est la dérivée temporelle de l’accélération donnée parl’accéléromètre de la centrale inertielle. Il s’agit en fait de trois intégrations,selon les trois axes, des grandeurs dAx/dt, dAy/dt et dAz/dt. Ax, Ay et Azsont les accélérations selon les trois axes. Selon l’invention, on utiliseavantageusement cette dérivée temporelle du vecteur accélération car ellepermet d’éliminer les biais supposés constants. De surcroît, on utiliseavantageusement la norme du vecteur car elle est invariante, c’est-à-direqu’elle ne dépend pas du repère considéré. On évite ainsi les erreurs deprojection des accélérations mesurées dans le repère lié à la centraleinertielle vers le repère de navigation dans lequel on localise le porteur.

Par ailleurs la trajectoire connue A-B permet, si elle est rectiligne parexemple, de connaître l’orientation du porteur qui est la même orientationque l’orientation initiale. Les points A et B peuvent être signalés parl’utilisateur ou par un système externe du type RFID ou GNSS par exemple,ou tout autre système de localisation. Un exemple de repérage de cettetrajectoire connue peut se faire à l’aide de deux bornes reliées par un fil delongueur connue. Pour réaliser la deuxième étape 12, on place donc lapremière borne, signalant le point A, à un endroit puis on tend le fil parexemple en ligne droite pour poser la deuxième borne, signalant le point B.Dans un cas où le fil mesure 30 mètres, on a ainsi entre les deux bornes A, Bune trajectoire rectiligne de 30 mètres. L’unité de calcul reçoit alorsl’information que l’utilisateur parcourt la trajectoire entre A et B, soit parl’utilisateur lui-même via l’interface précitée, soit par des moyens delocalisations externes.

Comme montré sur la figure 2, le lacet est idéalement nul sur la portion detrajectoire rectiligne. La figure 2 montre également que le biais sur lesvitesses angulaires, supposé constant, fait dériver l’attitude de manièrelinéaire par rapport au temps. Une régression affine permet alors d’estimerles coefficients a et β de la droite (y = a.t + β) représentant cette dérive. Celaaméliore l’estimation du biais et permet de corriger le lacet, c’est-à-direl’attitude, au cours du temps.

Pour effectuer les corrections, l’attitude et la distance parcourue doivent êtreestimées dès cette étape dynamique 12. L’attitude est calculée parintégration des vitesses angulaires, via une intégration de quaternions. Lesquaternions sont un outil d’algèbre linéaire facile à implémenter dans uneunité de calcul. Ils présentent l’avantage d’éviter les problèmes desingularité, comme les angles d’Euler et le blocage de cardan notamment.C’est-à-dire que le calcul est efficace et juste quelle que soit l’orientation, cequi n’est pas le cas avec d’autres méthodes. La distance est calculée parplusieurs intégrations de la norme du jerk et avec le facteur deproportionnalité. A ce stade, le système n’est pas encore opérationnel pour naviguer àl’estimée. Ce n’est qu’une fois les coefficients Γ, a et β estimés que lesmesures brutes inertielles pourront être exploitées 123 en minimisant l’impactdes biais.

Après les deux étapes précédentes 11, 12, le système est opérationnel pourengager la troisième étape de localisation 13, en déplacement libre. Lescalculs de distance et d’attitude sont corrigés par les coefficients issus de lacalibration statique (immobilité) et de la calibration dynamique (trajectoireconnue rectiligne) pour fournir en deux dimensions une position, une vitesseet une orientation. Cette étape est basée sur la méthode bien connue de« dead reckoning ».

Dans cette étape, la navigation est ainsi basée sur la technique du « deadreckoning » et repose sur une estimation d’attitude par intégration dequaternions et sur une estimation de distance par intégration de la norme dujerk. Le dispositif selon l’invention utilise le procédé connu du « dead-reckoning » ou navigation à l’estimée mais utilise pour effectuer lalocalisation selon ce procédé les informations de distance et de lacet obtenusrespectivement par l’intégration de la norme du jerk, corrigée du coefficientde proportionnalité, et par l’intégration des vitesses angulaires obtenues viales quaternions et corrigées par la régression linéaire.

La figure 4 récapitule le fonctionnement possible d’un dispositif selonl’invention et en particulier l’algorithme exécuté par l’unité de calcul 2. Lafigure 4 illustre l’enchaînement des étapes et les calculs récursifs à l’intérieurde chaque étape. Cet algorithme met en œuvre les étapes 11, 12, 13précédemment décrites. L’algorithme est bouclé entre deuxéchantillonnages, par exemple à la fréquence 100 Hz. Les données d’entrée41 à l’instant k passent les différentes étapes de l’algorithme. Les donnéesde sortie 42 complètent les données d’entrée à l’instant suivant k+1.

Les données d’entrée comprennent cinq groupes de données :

Les données de calibration (calculées au cours des étapespréliminaires 11,12);

Les données de mesures fournies par les capteurs de la centraleinertielle, fournies en permanence, pour toutes les étapes 11, 12, 13 ;

Les entrées utilisateur ou système externe indiquant dans quelleétape est l’utilisateur ;

Les estimations de la boucle de calcul précédente ;

Les constantes.

Les données d’entrées à un instant k utilisées, en plus de celles quiprécèdent, pendant les étapes de calibration sont les suivantes : l’estimation grossière des biais sur les vitesses angulaire Wmoy,k(calculée pendant la première étape 11) ; l’estimation fine des biais sur la vitesse angulaires par lescoefficients a,k et βΛ (calculés pendant la deuxième étape 12) ; le coefficient de proportionnalité Γ entre distance brute et distanceréelle (calculé pendant l’étape 12)

Les données de mesures sont d’une part les vecteurs accélération A,k-1 àl’instant k-1 et le vecteur accélération A,k à l’instant k, le calcul du jerk àl’instant k étant calculé à partir de ces deux valeurs (voir la relation (1) ci-dessus) et d’autre part le vecteur vitesse angulaire W,k.

Les entrées utilisateurs ou systèmes sont issues de l’information externe :immobile, parcours de la trajectoire connue ou déplacement libre.

Les estimations précédentes sont la position en deux dimensions (2D) R,kcalculée en phase de déplacement libre 13, le quaternion d’attitude Q,kcalculé à partir de la deuxième étape 12 et la distance brute D,k sur laportion de trajectoire connue également calculée à partir de cette deuxièmeétape. La distance brute est la distance cumulée calculée par intégration dujerk avant correction par le coefficient de proportionnalité.

Les constantes sont la distance effective ABréeiie et la fréquenced’échantillonnage, 100 Hz par exemple.

Les données en sortie d’une boucle d’algorithme sont les données decalibration et les données d’estimation.

On peut suivre alors le cheminement de l’algorithme de la figure 4 exécutépar l’unité de calcul 2.

Tant que l’information extérieure indique que le porteur est en positionimmobile (première étape 13), l’unité de calcul effectue l’estimation 43 dubiais par le calcul du vecteur vitesse angulaire moyenne Wmoy constituantl’estimation grossière des biais sur les vitesses angulaires, selon les trois axes. La valeur moyenne modifiée sera une donnée d’entrée à l’instant k+1.Elle est calculée par récursivité, c’est-à-dire que :

Wmoy,k et Wmoy,k-1 étant respectivement le vecteur moyen calculé auxinstants k et k-1 et W,k la mesure de la vitesse angulaire à l’instant k.

La récursivité permet d’économiser de la mémoire de calcul et d’êtrecompatible avec un calcul temps réel exécuté entre deux échantillonssuccessifs. Le vecteur moyen Wmoy obtenu en fin d’étape sera notammentutilisé dans la deuxième étape pour intégrer le quaternion d’attitude sansbiais de mesures. Dès que l’utilisateur s’engage sur le parcours de la trajectoire connue, c’est-à-dire qu’il n’est plus immobile, l’unité de calcul effectue successivement lecalcul 44 du quaternion d’attitude, le calcul 45 de l’angle de lacet par larégression affine précédemment décrite donnant l’orientation de l’utilisateur,et l’intégration 46 de la norme du jerk.

Tant que l’utilisateur est sur le parcours de la trajectoire connue (deuxièmeétape 12), l’unité de calcul effectue 47 l’estimation du facteur deproportionnalité Γ qui devient une donnée de sortie. Ce coefficient étantcalculé de façon récursive, il peut être obtenu de la manière suivante :

T,k et T,k-1 étant le coefficient de proportionnalité respectivement auxinstants k et k-1. ôd,k est l’intégration du jerk Jk entre les instants k-1 et k, c’est-à-dire ladistance brute parcourue, soit :

dt est l’inverse de la fréquence d’échantillonnage F (dt = 1/F), et correspondà l’intervalle de temps entre les instants k-1 et k. Dès que l’utilisateur a fini de parcourir la trajectoire connue et qu’il engage ledéplacement libre 13, l’unité de calcul effectue 48 l’intégration du jerk de lamême façon que dans la deuxième 12, selon la relation (2) ci-dessus. Ladistance réelle ôd,kréeiie parcourue entre deux instants d’échantillonnage k-1

et k est calculée en multipliant cette intégration par le coefficient Γ obtenu enfin de deuxième étape 12.

La distance réelle parcourue est obtenue par récursivité, la distance réelled,k+1 parcourue à l’instant k+1 étant obtenue à partir de la distance réelle d,kparcourue à l’instant kde la manière suivante :

A partir de la distance réelle calculée, l’unité de calcul détermine lalocalisation de l’utilisateur selon la méthode du « dead reckoning ». L’algorithme de la figure 4 est un mode de mise en œuvre possible desétapes 11, 12, 13. D’autres modes de mise en œuvre sont possibles. Enparticulier dans la première étape 11, on peut calculer la vitesse angulaireWmoy par une méthode non récursive. Il en est de même dans la deuxièmeétape 12 pour les calculs du coefficient Γ pour déduire la distance réelle àpartir de l’intégration de la norme du jerk, et des a et β permettant de calculerl’angle du lacet. Eventuellement la première étape 11 peut ne pas être miseen œuvre selon la précision que l’on souhaite le calcul de l’attitude.

Les compensations des biais permettent de résoudre le problème de dérivetemporelle. Par ailleurs, ces compensations ne font en aucun cas intervenirde détection de pas, ce qui permet de s’affranchir des hypothèses de posedu pied au sol et donc de l’immobilité périodique de la centrale. Ainsi, lacentrale peut-être placée au niveau de la ceinture, et même à un autreendroit du corps de l’utilisateur.

Enfin l’invention est compatible avec les contraintes de temps réel etd’utilisation modérée de la mémoire grâce à la récursivité car chaque état(position, attitude, coefficient de proportionnalité Γ entre la norme du jerk etla distance, coefficients de régression affine a et β) peut être estimé à partirde sa valeur à l’instant précédent. De plus, seules les données inertiellesbrutes, sans pseudo-mesure de type détection de pas, sont exploitées, cequi allège le calcul.

Un dispositif selon l’invention est donc facile à porter. Il comporte unecentrale inertielle, des moyens de calcul et des moyens d’affichage, un écranpar exemple, notamment pour restituer la position par affichage d’un point

sur une carte. Il peut aussi comporter des moyens de transmission desdonnées de localisation sur un serveur à distance.

Le choix d’un gyromètre est particulièrement judicieux car les estimationsd’orientation ne dépendent pas de l’environnement extérieur comme dans lecas de magnétomètres utilisés dans des systèmes selon l’art antérieur.

On peut ajouter une cartographie des lieux où se déplace l’utilisateur, ce quipeut améliorer son guidage à partir des données de localisation. Pour réduirel’impact du bruit blanc sur les mesures, on peut utiliser un filtre de Kalmanpar exemple.

Le procédé mis en œuvre par l’invention, notamment l’algorithme exécutépar l’unité de calcul 2, permet une localisation en temps réel avec desressources de calcul réduites avec un résultat similaire à ceux des dispositifsde l’état de l’art en termes de précision, voire meilleur. Le matérielnécessaire est bas coût et les capteurs utilisés, gyromètre et accéléromètre,peuvent être miniatures. Ce matériel est aussi facilement intégrable dans lestechnologies déjà commercialisées, par exemple les téléphones mobiles.L’équipement peut être rapidement installé sur l’utilisateur. Il est peuencombrant et peut équiper tous types de piétons. Le dispositif peutfonctionner seul ou être hybridé avec un autre système de localisation.

Dans un mode de réalisation avec un terminal mobile 4 contenant l’interfaced’entrée 4 et l’affichage 6, ce terminal peut avantageusement être unterminal mobile de type smartphone. Dans ce cas, l’unité de calcul 2 peutêtre reliée à un port de communication lui permettant de communiquer avecle terminal mobile par une liaison sans fil, de type Wifi ou Bluetooth,éventuellement par liaison filaire. L’utilisateur peut alors entrer sesinstructions sur le terminal et lire l’affichage des résultats de localisation surce même terminal. L’invention a été décrite pour localiser un piéton. Elle peut aussi s’appliquerpour localiser une personne se déplaçant en fauteuil roulant. Plusgénéralement, elle peut s’appliquer pour localiser des corps mobiles tels quedes véhicules à roue ou à chenilles, des chariots, ou encore des drônesterrestres ou aériens.

Claims (8)

1. REVENDICATIONS

   1. Procédé de localisation d’un corps mobile, caractérisé en ce que leditcorps mobile étant équipée d’au moins une centrale inertielle (1) comprenantun gyromètre 3D et un accéléromètre 3D, ledit procédé comporte : une étape préliminaire (12) dans laquelle, ledit corps mobileparcourant une trajectoire connue (A, B), on calcule un coefficient deproportionnalité ( Γ ) entre la distance réellement parcourue connue etla distance brute obtenue par l’intégration de la norme de la dérivéetemporelle de l’accélération (Jk) sur ladite trajectoire ; une étape suivante (13) de déplacement libre dans laquelle lalocalisation de dudit corps mobile est effectuée par la méthode denavigation à l’estimée, la localisation étant effectuée en utilisantcomme distance parcourue la distance brute obtenue par l’intégrationde la norme de la dérivée temporelle de l’accélération corrigée par tecoefficient de proportionnalité ( Γ ).
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans l'étapepréliminaire (12), on calcule un modèle représentant la dérive due au biais demesures de vitesses angulaires délivrées par te gyromètre par unerégression entre lesdites mesures et l’orientation sur ladite trajectoire connue(A, B), tes mesures prises en compte dans l’étape (13) de déplacement libreétant lesdites mesures corrigées par soustraction dudit modèle. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, la trajectoire(A, B) étant rectiligne, ledit modèle est obtenu par régression linéaire entrelesdites mesures et l’orientation ladite trajectoire connue. 4. Procédé de localisation d’un corps mobile, caractérisé en ce que leditcorps mobile étant équipé d’au moins une centrale inertielle (1) comprenantun gyromètre 3D et un accéléromètre 3D, ledit procédé comporte : une étape préliminaire (12) dans laquelle, ledit corps mobileparcourant une trajectoire connue (A, B), on calcule un modèlereprésentant la dérive due au biais de mesures de vitesses angulaires délivrées par 1e gyromètre par une régression entre lesdites mesureset l’orientation de ladite trajectoire connue (A, B) ; une étape suivante (13) de déplacement libre dans laquelle lalocalisation dudit corps mobile est effectuée par la méthode denavigation à l’estimée, la localisation étant effectuée en utilisantlesdites mesures, corrigées par soustraction dudit modèle.
3. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que, la trajectoire<A, B) étant rectiligne, ledit modèle est obtenu par régression linéaire entrelesdites mesures et ladite trajectoire. 6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé ence que dans l'étape préliminaire (12) on calcule un coefficient deproportionnalité ( Γ ) entre la distance réellement parcourue connue et ladistance brute obtenue par l’intégration de la norme de la dérivée temporellede l’accélération (Jk) sur ladite trajectoire, la localisation étant effectuée dansl’étape (13) de déplacement libre en utilisant comme distance parcourue ladistance brute obtenue par l’intégration de la norme de la dérivée temporellede l’accélération corrigée par le coefficient de proportionnalité ( Γ ). 7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce qu’il comporte une première étape préliminaire (11) danslaquelle, ledit corps mobile étant immobile, on calcule tes valeurs moyennesde la vitesse angulaire mesurée selon tes trois axes du gyromètre, lesditesvaleurs moyennes formant une première estimation des biais de mesure dugyromètre. 8. Dispositif de localisation apte à équiper un corps mobile , caractérisé en ceque ledit dispositif comporte au moins une centrale inertielle (1) comprenantun gyromètre 3D et un accéléromètre 3D, une unité de calcul (2) recevant tesrésultats de mesures du gyromètre et de l’accéléromètre selon unefréquence d’échantillonnage, et des moyens de restitution (4, 6) delocalisation dudit corps mobile, l’unité de calcul effectuant : dans une étape préliminaire (12) où ledit corps mobile parcourtune trajectoire connue, le calcul d’un coefficient de proportionnalité (Γ) entre la distance réellement parcourue et la distance brute obtenuepar l'intégration de la dérivée temporelle de l’accélération selon laditetrajectoire ; dans une étape suivante (13) de déplacement libre, la localisationdudit corps mobile par la méthode de navigation à l’estimée, lalocalisation étant effectuée en utilisant comme distance parcourue ladistance brute obtenue par l’intégration de la dérivée temporelle del’accélération corrigée par le coefficient de proportionnalité ( Γ ).
4. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que dans l’étapepréliminaire (12), l’unité de calcul (2) calcule un modèle représentant ladérive due au biais de mesures délivrées par le gyromètre par unerégression entre lesdites mesures et l’orientation de ladite trajectoire connue(A, B), les mesures prises en compte dans l’étape (13) de déplacement libreétant lesdites mesures corrigées par soustraction dudit modèle. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que, la trajectoire(A, B) étant rectiligne, ledit modèle est obtenu par régression linéaire entrelesdites mesures et ladite trajectoire. 11. Dispositif de localisation apte à équiper un corps mobile , caractérisé ence que ledit dispositif comporte au moins une centrale inertielle (1)comprenant un gyromètre 3D et un accéléromètre 3D, une unité de calcul (2)recevant tes résultats de mesures du gyromètre et de l’accéléromètre selonune fréquence d’échantillonnage, et des moyens de restitution (4, 6) delocalisation dudit corps mobile, l’unité de calcul effectuant : dans une étape préliminaire (12) où ledit corps mobile parcourtune trajectoire connue, le calcul d’un modèle représentant la dérivedue au biais de mesures de vitesses angulaires délivrées par legyromètre par une régression entre lesdites mesures et l’orientationde ladite trajectoire connue (A, B) ; dans une étape suivante (13) de déplacement libre, la localisationdudit corps mobile par la méthode de navigation à l’estimée, lalocalisation étant effectuée en utilisant lesdites mesures, corrigées parsoustraction dudit modèle.
5. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que, laditetrajectoire (A, B) étant rectiligne, ledit modèle est obtenu par régressionlinéaire entre lesdites mesures et ladite trajectoire. 13. Dispositif selon l’une quelconque des revendicatons 11 ou 12, caractériséen ce que dans l’étape préliminaire (12), l’unité de calcul (2) effectue le calculd’un coefficient de proportionnalité ( Γ ) entre la distance réellementparcourue connue et la distance brute obtenue par l’intégration de la normede la dérivée temporelle de l’accélération (Jk) sur ladite trajectoire, lalocalisation étant effectuée dans l’étape (13) de déplacement libre en utilisantcomme distance parcourue la distance brute obtenue par l’intégration de lanorme de la dérivée temporelle de l’accélération corrigée par le coefficient deproportionnalité ( Γ ). 14. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 8 à 13, caractériséen ce qu’il effectue une première étape préliminaire (11) dans laquelle, leditcorps mobile étant immobile, l’unité de calcul (2) calcule les valeursmoyennes de la vitesse angulaire mesurée selon les trois axes du gyromètre,lesdites valeurs moyennes formant une première estimation des biais demesure du gyromètre. 15. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 8 à 14, caractériséen ce que l’unité de calcul (2) estime l’attitude par intégration de quaternions,ladite attitude étant utilisée par la méthode de navigation à l’estimée. 16. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 8 à 15, caractériséen ce que l’unité de calcul (2) communique avec une interface d’entrée (5)réceptionnant un signal extérieur informant l’unité de calcul (2) d’enclencherune étape suivante (12, 13). 17. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que ledit signalextérieur est activé par ledit corps mobile. 18. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que ledit signalextérieur est activé par un système de localisation externe. 19. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 16 à 18, caractériséen ce que, le gyromètre et l’accéléromètre délivrant les résultats de mesuresselon une fréquence d’échantillonnage donnée, l’unité de calcul (2) réalise lapremière étape préliminaire (11), l’étape de parcours sur une trajectoireconnue (12) et l’étape de déplacement libre (13) de façon récursive à lacadence de ladite fréquence d’échantillonnage, lesdites étapes étantdéclenchées successivement par ledit signal extérieur. 20. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que tant que lesignal extérieur indique que ledit corps mobile est immobile (13) l’unité decalcul (2) effectue l’estimation (43) du biais par le calcul du vecteur vitesseangulaire moyenne constituant l’estimation des biais sur les vitessesangulaires, selon les trois axes, la valeur moyenne étant calculée parrécursivité, de sorte que : Wmoy,k ~ (k/k+1)Wmoy,k-1 + (1/k+1)W,k Wrnoy.k et Wmoy,k-1 étant respectivement le vecteur moyen calculé auxinstants d’échantillonnage k et k-1 et W,k étant la mesure de la vitesseangulaire à l'instant k.
6. 21. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 19 ou 20 et 8 ou 13,caractérisé en ce que tant que te signal extérieur indique que ledit corpsmobile suit te parcours de te trajectoire connue, l'unité de calcul effectue (47)l'estimation du facteur de proportionnalité Γ, ce coefficient étant calculé defaçon récursive, de sorte que : r,k = r,k-1 + ôd,k/ABréei!e F,k et r,k-1 étant le coefficient de proportionnalité respectivement auxinstants d’échantillonnage k et k-1 et ôd,k est l’intégration de la norme de ladérivée temporelle de l’accélération entre tes instants k-1 et k.
7. 22. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 19 à 21 et 8 ou 13,caractérisé en ce que dans l’étape (13) de déplacement libre, la distanceréelle parcourue étant obtenue par récursivité, la distance réelle d,k+1 parcourue à l’instant d’échantillonnage k+1 est obtenue à partir de ladistance réelle d,k parcourue à l’instant d’échantillonnage k de la manièresuivante : d,k ~ d,k+1 + Γχ 5d,k où Γ est le coefficient de proportionnalité calculé dans l’étape (12) deparcours sur une trajectoire connue et ôd,k est l’intégration de la norme de ladérivée temporelle de l’accélération entre les instants k-1 et k.
8. 23. Dispositif selon les revendications 8 à 22, caractérisé en ce qu’unterminal mobile (4) comporte tes moyens de restitution (6) et l'interfaced’entrée (5), ledit terminal communiquant avec l’unité de calcul via uneliaison sans fil. 24. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 8 à 23, caractériséen ce qu’il est apte à être porté au niveau de la taille d’une personne.